книги из ГПНТБ / Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник

Диапазон изменения температур, используемых в пищевой промышленности, очень широк и охватывает интервал от минус 90—100 до плюс 1200—1800° С. Разнообразие объектов и усло­ вий измерения температуры на этих объектах, неодинаковые тре­ бования к диапазону и точности измерений обусловливают не­ обходимость использования различных методов и приборов для измерения температуры. В большинстве случаев температура в пищевой промышленности измеряется с помощью общетехни­ ческих приборов.

Температура относится к таким физическим величинам, ко­ торые не поддаются непосредственному измерению. Поэтому для определения ее всегда преобразуют в другую физическую вели­ чину, легко поддающуюся измерению. Однако выбрать какоелибо тело для построения на его основе температурной шкалы трудно, поскольку это тело должно обладать свойством, обеспе­ чивающим однозначное изменение какого-либо одного парамет­ ра с изменением температуры. Причем изменение параметра не должно зависеть от других факторов.

Под термином «температурная шкала» понимается непрерыв­ ная совокупность чисел, линейно связанных с численными значе­ ниями какого-либо физического свойства тела, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры. Темпе­ ратурная шкала — это ряд отметок внутри температурного ин­ тервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоян­ ными (основными или опорными) точками. Такими точками мо­ гут быть точки плавления и кипения химически чистых веществ. Следовательно,

Такой метод предусматривает произвольный выбор шкалы температур. Вместе с тем очевидна необходимость установления единства понятия «градус» и обеспечение его определения с мак­ симальной точностью. Раньше единство шкалы температур осу­ ществлялось с помощью ртутно-стеклянного термометра. Шкала его между точкой таяния льда и точкой кипения воды при нор­ мальном атмосферном давлении была разделена на 100 равных частей. Эта шкала, названная шкалой Цельсия, в настоящее вре­ мя вышла из употребления. В качестве единой температурной шкалы применялись шкалы газовых термометров, заполняемых водородом, гелием, азотом и другими газами. Однако и ртутностеклянные и газовые термометры обладают существенным недо­ статком: хотя шкала их и разбита на равные части, кинетиче­ ская энергия движения молекул при изменении температуры на одно деление по длине шкалы изменяется неодинаково. Таким

образом, одно деление в начале шкалы не соответствует точно одному делению в конце шкалы. Как показали дальнейшие ис­ следования, в природе нет жидкостей или газов с линейной за­ висимостью между объемным расширением и температурой.

В 1848 г. английский ученый Кельвин предложил термодина­ мическую шкалу температур, основанную на использовании вто­ рого закона термодинамики. В этом случае температура опреде­ ляется на основании следующего выражения:

Шкала температур определится, если задать числовые значе­ ния для ее двух основных точек.

Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, так как она выведена из идеального цикла Карно, т. е. цикла, осу­ ществляемого без тепловых потерь. В связи с этим появилась необходимость разработать такую практическую температурную шкалу, которая совпадала бы с термодинамической и позволяла бы расширить диапазон, а также отличалась бы удобством и на­ дежностью воспроизведения.

В настоящее время предусматривается применение двух тем­ пературных шкал: термодинамической температурной шкалы и международной практической температурной шкалы. Темпера­ туры в этих шкалах выражаются соответственно в Кельвинах (К)

динамической температуры тройной точки воды. Температура

(МПТШ-68)* выбрана таким образом, чтобы температура, изме­ ренная по ней, была близка к термодинамической температуре, насколько это возможно в пределах современной точности изме­ рений. Она основана на значениях температур, присвоенных определенному числу воспроизводимых состояний равновесия (определяющих постоянных точек), и на использовании специ­ фицированных аттестованных интерполяционных приборов. Ин­ терполяция температур между постоянными точками произво­ дится по формулам, устанавливающим связь между показания­ ми этих приборов и значениями международной практической шкалы температуры.

Определяющие постоянные точки воспроизводят, реализуя со-, стояния равновесия между фазами чистых веществ (тройная точ-

* Международная практическая температурная шкала, действующая в настоя­

ка равновесного водорода; точка кипения неона; тройная точка кислорода; тройная точка воды; точки затвердевания цинка, се­ ребра, золота и некоторые другие), которым присвоены опреде­ ленные значения международной практической шкалы темпера­ туры.

В диапазоне между —259,34° С (тройная точка равновесного водорода) и 630,74° С в качестве эталонного прибора применяет­ ся специальный платиновый термометр сопротивления. Между 630,74 и 1064,43° С (точка затвердевания золота) эталонным при­ бором служит платинородий (10% родия)-платиновая термопа­ ра. Выше 1064,43° С (1337,58 К) Международную практическую температурную шкалу воспроизводят с помощью закона излуче­ ния Планка при 1337,58 К в качестве исходной температуры.

температуры, и основанных на использовании, как правило, двух методов измерения: контактном и бесконтактном.

Контактный метод состоит в том, что измерение температуры производится путем непосредственного контакта чувствительного элемента термометра с измеряемой средой. Термометры, в осно­

пературы используется тепловое излучение нагретых тел. Термо­ метры, в основу которых положен бесконтактный метод, называ­ ются п и р о м е т р а м и и подразделяются на я р к о с т н ы е , р а д и а ц и о н н ы е и ц в е т о в ы е .

§ 2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Измерение температуры жидкостными термометрами расши­ рения основано на различии коэффициентов объемного расшире­ ния материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. В качестве рабочего вещества чаще всего применяется ртуть или этиловый спирт, в некоторых случаях толуол, эфир,

Рис. 36. Манометрический термометр.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термометры, действие которых основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от тем­

ной металлическим рукавом 7, и манометрической части, заклю­ ченной в корпусе 5. Вся система прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются мано­ метрической трубкой 3 (см. стр. 135), которая через передаточ­ ный механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2, воздействует на стрелку прибора. Термобаллон обычно снабжается хвостови­ ком 8 и изготовляется из нержавеющей стали, а капилляр — из медной или стальной трубки диаметром 0,15—0,5 мм. Диапазон измерения температур с помощью манометрических термометров от —120° С до +600° С. Класс точности 1,5—2,5. Эти приборы просты по устройству, дешевы и надежны. Поэтому они исполь­ зуются практически во всех отраслях пищевой промышленности как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования. На базе манометрических термометров изготов­ ляется ряд термореле, многие из которых выпускаются специ­ ально для пищевой промышленности.

Основным недостатком манометрических термометров явля­ ется большая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.

Газовые манометрические термометры. В этих приборах гер­ метически замкнутая термосистема заполняется азотом, термо­

Из формулы (153) видно, что шкала прибора линейная. Вследствие высокого давления газа в термосистеме колебания ат­ мосферного давления незначительно влияют на показания при­ бора. Колебания же температуры окружающей среды вызывают заметные погрешности. Однако при правильно подобранном со­ отношении объема термобаллона и суммарного объема капил­ ляра и манометрической трубки погрешности могут быть сведе-

ны к минимуму. При объеме термобаллона, в несколько раз пре­ вышающем объем капилляра и манометрической трубки, погрешности от изменения окружающей температуры невелики!

Передаточная функция манометрического термометра с газо­ вым заполнением описывается следующим уравнением:

в этих приборах заполняется жидкостью — ртутью или ксилолом. При повышении температуры термобаллона жидкость в нем рас­ ширяется и заставляет перемещаться конец манометрической трубки. Избыточный объем жидкости, вытесняемый из термобал­ лона

где AV — избыточный объем жидкости, м8 ;

Р и а — коэффициенты объемного расширения жидкости и материала термо­ баллона соответственно, 1/°С;

t — измеряемая температура, °С;

t0—температура, при которой производится заполнение термосистемы, обычно 20° С;

V0— объем жидкости при температуре to, м3 .

Из формулы (155) видно, что шкала жидкостных манометри­ ческих термометров линейная. Благодаря тому что жидкости, за­ полняющие термосистему, обладают большой теплопроводно­ стью, инерционность этих термометров меньше, чем газовых. Од­ нако погрешности от колебания температуры окружающей среды значительнее, чем у газовых термометров. Это вызывает необхо­ димость при большой длине капилляра вводить специальное ком­ пенсационное устройство, которое представляет собой капилляр такой же длины, но без термобаллона.

Поправку на изменение внешнего атмосферного давления вводить не требуется, так как жидкость практически не сжимае­ ма. Жидкостные приборы, как и газовые, изготовляются различ­ ных модификаций и назначений.

Конденсационные манометрические термометры. Термобал­ лон в этих термометрах обычно заполняется на 2 /з объема низкокипящей жидкостью — этилхлоридом, метилхлоридом, ацетоном. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается давление пара в термосистеме, которое через капилляр передается к манометрической пружине. Однако изме­ нение давления пара не пропорционально изменению температу­ ры, что является одним из недостатков этого типа приборов, шкала которых нелинейна. Конденсационные приборы наиболее чувствительны, однако диапазон измерения их невелик: 0—200° С. На показания приборов влияют изменения атмосферного давле­ ния, но не влияют изменения температуры окружающей среды.

Манометрические термометры выпускаются как самостоя­ тельные приборы и как датчики температуры, входящие в си­ стему ГСП. В последнем случае манометрическая часть снабжа­ ется преобразователями, определяющими принадлежность при­ боров к той или иной ветви ГСП.

§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

ТЕРМОПАРЫ

В основу измерения температуры термоэлектрическими тер­ мометрами положен термоэлектрический эффект, который заклю­ чается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или не­

личной температуры. Простейшая цепь, состоящая из дчух раз­

рического поля, скорость диффузии электронов станет равна ско­ рости их обратного перехода, наступает состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А я В возникает разность потенциалов — термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с). Термоэлектрический ток возникает и в однородном проводнике, если имеется градиент температуры по его длине. Таким обра­